Amplificateurs optiques (soa, raman, edfa)

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AMPLIFICATEURS OPTIQUES SOA, EDFA, RAMAN Réalisé par: MOUNIR Assia BENNANI Anas LOUKILI Anouar Encadré par: M. LAAZIZ Yassin Génie des Systèmes de Télécommunications & Réseaux Année Universitaire 2009-2010 1

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Présentation sur les amplificateurs optiques SOA, EDFA, RAMAN

Transcript of Amplificateurs optiques (soa, raman, edfa)

AMPLIFICATEURS OPTIQUES

SOA, EDFA, RAMAN

Réalisé par:MOUNIR AssiaBENNANI AnasLOUKILI Anouar

Encadré par:M. LAAZIZ Yassin

Génie des Systèmes de Télécommunications & Réseaux

Année Universitaire 2009-2010

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Plan Général

INTRODUCTIONGENERALITE SUR LES AMPLIFICATEURS OPTIQUESAMPLIFICATEURS OPTIQUES:

SOAEDFARAMAN

CONCLUSION

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Introduction

Les télécommunications par Fibre optique se sont développées principalement à deux longueurs d'ondes : 1,55 µm et 1,31 µm.

La première longueur d'onde étant la longueur d'onde de moindre absorption des fibres optiques en silice et la seconde correspond à une dispersion nulle dans ces fibres.

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IntroductionLes amplificateurs à 1,31 µm encore peu employés dans les systèmes de communications et les dispositifs existants reposent sur trois technologies :

les fibres dopées terre rare, les amplificateurs à semi-conducteurs les amplificateurs à effet Raman.

Les amplificateurs aux performances les plus intéressantes sont les amplificateurs dopés terre rare et les amplificateurs à semi-conducteurs.

Le succès de l'utilisation de la longueur d'onde à 1,55 µm pour les communications longues distances est en partie dû au développement d'un amplificateur optique efficace : l'amplificateur EDFA.

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AmplificateurQuel est le rôle d'un amplificateur ?

L'amplificateur est inséré dans un système de télécoms optiques et fait partie des moyens pour régénérer un signal optique. Ce signal composé d'une porteuse modulée va être maltraité de diverses manières au cours de sa propagation.

Pertes qui vont atténuer son intensité. Dispersions qui vont modifier la forme de la modulation et de décaler chaque impulsion.

Pour corriger ces défauts générés au cours de la propagation, différents systèmes existent comme le système <3R> qui consiste à réamplifier le signal pour corriger les pertes, le remettre en forme et le synchronise.

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Amplificateur

Les défauts de ce système sont multiples:coûte cher en installation et en maintenance.fonctionne à une seule longueur d'onde. ( non adapté au WDM)Non transparent au codage utilisé.

Des régénérateurs 3R tout-optiques ont été développés dans les laboratoires, mais pour le moment aucun système commercial n'a vu le jour.

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Convertisseur Opt/Elect

Amplification / Remise en forme

Convertisseur Elect/Opt

Amplificateur

Lorsqu'une régénération complète n'est pas nécessaire et qu'une simple amplification est suffisante, on utilise un amplificateur optique.

Un amplificateur optique réamplifie le signal sans transformation (Opt/Elect).

Cet amplificateur est donc transparent au codage utilisé et permet avec un seul composant d'amplifier plusieurs longueurs d'ondes.

Mais il a le défaut de ne pas remettre en forme ni synchroniser le signal.

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Fonctionnement d’un O.A

L'amplificateur optique fonctionne par émission stimulée à partir de l‘état excité d'un atome ou d'un ion. Cet ion est pompé optiquement pour que ses électrons passent d'un état fondamentale à un état dit métastable.Le signal à amplifier génère alors une émission stimulée à partir de ce niveau. Les photons ainsi créés vont en générer de nouveaux par un effet cascade, on peut atteindre un gain très important.

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Paramètres caractéristiques d’un Amplificateur Optique

Les paramètres les plus importants caractérisant un amplificateur sont présentés comme suit :

Bande spectrale dans laquelle il y a du gain,Gain (en dB),Efficacité du gain : (rapport gain /puissance de pompe (en dB/mW)),Puissance de saturation (puissance maximum de sortie de l'amplificateur),Facteur de bruit,Sensibilité du gain à la polarisation du signal,Longueur d'onde de pompe,Efficacité du couplage de la pompe et du signal,Sensibilité aux fluctuations du signal (modulation) et de la pompe,Diaphonie dans le cas de communications WDM.

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AMPLIFICATEUR OPTIQUE A SEMICONDUCTEUR

S.O.A

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SOA: Présentation

Les Amplificateurs Optiques à Semiconducteur sont apparurent pour remédier à l’amplification optoélectronique (limitation débit <2Gb/s).SOA est basé sur la technologie diodes laser Fabry-Perot. Consiste en un medium amplificateur placé dans une cavité résonante (type Fabry-Perot).

Amplificateurs Optiques

Amplificateurs à effet Laser

SOA EDFA

Amplificateurs à effet Raman

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SOA: Structure

Région Active (non dopée)

Couche dopée P

ILames AR

Pompe

L

Couche dopée N

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SOA: Structure

La fonction d’amplification est accomplie par un pompage externe des niveaux d’énergie du matériau.

Afin de ne produire que la fonction amplification, il est nécessaire de protéger l’équipement contre l’auto-oscillation générant l’effet laser.

Ceci se fait par blocage des réflexions de la cavité utilisant un revêtement anti réflexion (AR) et la technique de cleaving angle des facettes des lamelles.

A la différence des amplificateurs optiquement pompés, les SOA sont pompés électriquement par courant injecté.

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SOA: Fonctionnement

Le principe du SOA est basé sur la création d’une inversion de population utilisée pour l’amplification du signal optique d’entrée via émission stimulée.

Condition à satisfaire : Inverser la population du milieux.

Solution : L’inversion de population est réalisée par injection d’un courant électrique . La bande de conduction et la bande de valence sont

séparées par un gap d’énergie Eg.

Le courant d’injection mène à générer des paires électron-trous dans les bandes de conduction et de valence respectivement.

Ainsi, la distribution dans chaque bandes peut être décrite par deux niveaux quasi-fermi (notés Efc et Efv).

La position de ces niveaux est déterminée par le courant d’injection (stimuler l’émission).

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SOA: Fonctionnement

Le signal optique incident est injecté dans le guide (Semiconducteur) sans qu’il ne subit de réflexion ( système anti -reflet ) puis couplé vers la fibre .

Un photon incident provoque l’émission stimulée Naissance d’un deuxième photon de même fréquence, de même phase et même direction.

Sans le photon incident Emission spontanée de photon, constituent le bruit d'amplification.

L'ensemble des photons, subit une série d'amplifications. Les photons spontanés seront aussi amplifiés.

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SOA: Caractéristiques

Le phénomène de saturation :A partir d’une certaine puissance du signal d’entrée, la forte intensité de l’émission stimulée entraîne une réduction de l’inversion de population, ce qui réduit le gain optique.

Puissance de Saturation

Pout/Pin=Cte G0=Cte

Régime Petits Signaux

Psat Diminution Gain

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SOA: Caractéristiques

Se traduit par des gains différents pour les composantes transverse électrique (TE) et transverse magnétique(TM).

Plus l’amplificateur est sensible à la polarisation de l’onde incidente, plus il ne pourra amplifier que des signaux d’une polarisation donnée.

Des solutions ont été mise au point pour les amplificateurs SOA afin de diminuer la sensibilité à la polarisation, telles que les techniques de puits quantiques.

Sensibilité du Gain à la Polarisation

Région Active (non dopée)Couche dopée N

Couche dopée PTM

TE

TM

TE

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SOA: Caractéristiques

Certains photons de l’émission spontanée se voient amplifié et se superpose au signal qui se retrouve alors bruité.

On définit le facteur de bruit F dont la limite théorique est estimée à 3dB. (F=6dB pour SOA)

Facteur de Bruit

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SOA: Caractéristiques

Gain élevé (atteint 30 dB) suivant le type de SC, la longueur d'onde, le courant injecté et la puissance du signal incident.Bande Passante, de l'ordre de 5 THz (environ Δλ= 40 nm autour de λ= 1550 nm). Pompage est électrique ,plus besoin de produire une lumière laser pour faire le pompage optique Psat >= 17 dBm.

C'est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe.Pertes de couplage élevées, supériorité du diamètre du faisceau / l'épaisseur de la couche active. Facteur de bruit >= 5-7 dB.

En Bref

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Erbium-Doped Fiber Amplifier

E.D.F.A

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EDFA : Présentation

Amplificateurs Optiques

Amplificateurs à effet Laser

SOA EDFA

Amplificateurs à effet Raman

Un amplificateur à fibre dopée Erbium consiste en une courte section de fibre optique possédant une fraction de l'élément terre rare Erbium sous la forme d'ions Er3+.

L'amplification optique repose sur la possibilité d'amplification stimulée optique par émission stimulée de lumière, grâce à un signal de pompe par laser.

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EDFA : Définitions

• Nombre atomique : 68• Masse atomique: 167.259• Densité : 9.07 g/cm 3

• Etat à température ambiante: Solide• Classification: Métal• Groupe: Lanthanide• Nombre d’isotopes stables: 6 • Energie d’ionisation: 6.108 eV• Etat d’oxydation: +3• Famille: Terre rare

Seule terre rare active à des longueurs d'onde comprenant la bande C Télécom (1530 nm- 1560 nm)

L’ion Erbium réagit comme un système à trois niveaux

68

ErErbium167.259

L’élément Erbium

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Emission Stimulée de l’élément Erbium :Les ions Er3+, insérés dans la matrice amorphe de silice, matériau constituant la fibre optique, présentent un diagramme énergétique simplifié à trois niveaux

Niveau de pompe Niveau métastable

Signal Amplifié

Les ions Erbium sont excités par les longueurs d’onde suivantes: 514nm, 532nm, 667nm, 980nm, 1480nm

Du signal de pompe

EDFA :Définitions

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EDFA : Structures• Co-propagative

• Contra-propagative

• Bidirectionnelle

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EDFA :Principe de fonctionnement

Le signal à amplifier est mélangé à un signal de pompe de forte puissance (de 10 à 200 mW typiquement) grâce à un multiplexeur de longueurs d'onde, et le signal résultant est injecté dans la fibre dopée Er3+. Deux longueurs d'ondes sont disponibles pour le signal de pompe : 980 nm ou 1480 nm.Le signal de pompe provoque une inversion de population des ions Er3+ et le milieu devient amplificateur vis-à-vis du signal optique d'entrée.Lorsque l'émission stimulée domine, elle donne lieu à de l'amplification optique. Cela dit, trois phénomènes coexistent toujours : absorption, émission spontanée et émission stimulée.

EDFA: Caractéristiques

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les caractéristiques techniques principales des EDFA sont les suivantes • le gain de l'amplificateur (rapport en décibels (dB) de la puissance

de sortie sur la puissance en entrée) : de l’ordre de 20dB en dB

EDFA: Caractéristiques

• le niveau de puissance de saturation PS du gain de l'amplificateur, qui chiffre la puissance de sortie pour laquelle le gain de l'amplificateur sature déjà : typiquement 1 à 10 mW

• la bande spectrale d'amplification Δλ : typiquement 25 nm

• le facteur de bruit F, qui chiffre la dégradation du rapport signal à bruit à la traversée de l'amplificateur du fait de l'amplification de l'émission spontanée (ASE) : typiquement 6 à 8 dB.

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EDFA: Critères de choix• La supériorité du gain • puissance de saturation élevée• faibles pertes d’insertion • réduction du facteur de bruit

préférer les EDFA aux SOA

Pour les systèmes de transmission optique à grandes distances et à débits élevés EDFA

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AMPLIFICATEUR A EFFET RAMAN

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Amplificateur Raman

Simplicité

L’amplification Raman est beaucoup plus ”douce” que l’amplification par EDFA.

Fibre Dopée Erbium Amplification par effet Raman

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Amplificateur Raman

L'effet Raman est un phénomène physique de diffusion moléculaire de la lumière, mis en évidence expérimentalement en 1928 par le physicien indien Chandrasekhara Venkata Raman, lauréat du prix Nobel en 1930.

les atomes constituants de la matière sont en constante vibration. Quand une lumière est envoyée sur un objet, elle va lui fournir de l’énergie. Cette énergie va alors modifier la vibration des liaisons chimiques entre les atomes.

C’est l’effet Raman.

Principe

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Amplificateur Raman

Un amplificateur Raman doit plutôt être vu comme un système dans lequel la pompe permet de compenser les pertes dûes à la fibre tout au long de la propagation du signal.

Définition

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Amplificateur Raman

L’effet Raman Spontané (1928- Venkata RAMAN)L’effet Raman Stimulé (1962 - R.W. HELLWARTH)

Les deux variantes

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Amplificateur Raman

L’effet Raman Spontané

Cet effet existe par la simple présence de la lumière du laser de pompe dans la fibre. Il consomme une faible part de la puissance fournie par le laser de pompe. Il génère de la lumière à la longueur d’onde du signal. Cette lumière apparaît ”spontanément”, càd indépendamment de la présence du signal.

Les deux variantes

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Amplificateur Raman

L’effet Raman Spontané

Il ne s’agit pas d’un phénomène qui apporte à l’amplification mais plutôt d’un effet parasite : on parle d’émission spontanée

Les deux variantes

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Amplificateur Raman L’effet Raman Spontané

Photon Pompe Vibration des

molécules

Phénomène INEVITABLE dans l’Amplificateur Raman :- Sans lui, l’Effet d’Amplification n’existerait pas- MAIS c’est un Effet NON Désiré qui dégrade les performances

Niveaux d’EnergieVibrationnels

Changement de Couleur

(Dl)

Photon Moins

EnergétiqueCette Nouvelle Couleur est à la Longueur d’Onde dite « Stokes »

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Amplificateur Raman L’effet Raman stimulé

C’est l’effet recherché pour l’amplification optique.Lorsqu'un atome se trouve au niveau excité E2un photon incident d'énergie E2-E1 peut forcer

l'atome à revenir au niveau E1 . L'atome émet alors un nouveau photon d’énergie

E2-E1. un phénomène de “duplication de photons” à la

longueur d’onde du signal.

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Amplificateur Raman L’effet Raman stimuléSi le Signal est à la Longueur d’Onde Stokes :

1 Photon Pompe

+ 1 Photon Signal

2 Photons Signal + 1 Phonon

Duplication de Photons

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Amplificateur Raman Caractéristiques

Pour les télécommunications optiques usuelles à 1 550 nm, il faut donc utiliser un laser pompe autour de 1450 nm.

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Domaines d’utilisationTélécommunications à fibres optiqueApplications métrologiquesLa composition chimique d'un matériau

Certes, les amplificateurs optiques se considèrent comme un facteur essentiel pour l’amélioration des autoroutes de la lumière: Fibres optiques.

Conclusion

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Conclusion

SOA EDFA

RAMAN

Merci de votre attention